一、MAX31865模塊簡介

MAX31865是簡單易用的熱敏電阻至數字輸出轉換器，優(yōu)化用于鉑電阻溫度傳感器(RTD)。外部電阻設置所用RTD的靈敏度，高精度Σ-Δ ADC將RTD電阻與參考阻值之比轉換成數字輸出。MAX31865輸入具有高達±45V的過壓保護，提供可配置的RTD及電纜開路/短路條件檢測。
特點

• 集成更低系統功耗，簡化設計，減少設計周期
• 簡便的RTD鉑電阻之數字轉換器
• 支持100Ω至1kΩ (0°C時)鉑電阻RTD (PT100至PT1000)
• 兼容于2線、3線和4線傳感器連接
• SPI兼容接口
• 20引腳TQFN和SSOP封裝
• 高精度設備滿足誤差預算
• 15位ADC分辨率；標稱溫度分辨率為0.03125°C (隨RTD非線性變化)
• 整個工作條件下，總精度保持在0.5°C (0.05%滿量程)
• 全差分VREF輸入
• 轉換時間：21ms (最大值)
• 集成故障檢測，增加系統穩(wěn)定性
• ±45V輸入保護
• 故障檢測(RTD開路、RTD短路到量程范圍以外的電壓或 RTD元件短路)
• SPI兼容接口

應用
工業(yè)設備，醫(yī)療設備，儀表等

二、模塊引腳和PT100/PT1000硬件接法說明

PT100/PT1000 硬件接法：

PT100與PT1000的切換，默認使用PT100。

三、功能框圖和時序圖說明

MAX31865支持SPI模式1和3。SPI兼容通信使用四個引腳：SDO (串行數據輸出)、SDI (串行數據輸入)、CS (片選)和SCLK (串行時鐘)。SDI和SDO分別是器件的串行數據輸入和輸出引腳。CS輸入啟動和終止數據傳輸。SCLK同步主機(微控制器)和從機(MAX31865)之間的數據傳輸。
串行時鐘(SCLK)由微控制器產生，只有CS為低電平時且將地址和數據傳輸至SPI總線上任一器件期間才有效。在部分微控制器中可設置無效的時鐘極性。MAX31865通過在CS變?yōu)橛行r采樣SCLK，以確定無效時鐘的極性，自動支持任一種時鐘極性。在內部選通沿上鎖存輸入數據(SDI)，在翻轉沿上移出輸出數據(SDO) (參見表8和圖5)。傳輸的每一位均有一個時鐘脈沖。地址和數據位按八位一組傳輸，MSB在前。

地址和數據字節(jié)移入串行數據輸入(SDI)和移出串行數據輸出(SDO)時，MSB在前。任何傳輸都需要地址字節(jié)指定寫或讀操作，后面跟一個或多個數據字節(jié)。讀操作時，從SDO輸出數據；寫操作時，數據輸入至SDI。CS驅動為低電平后，傳輸的第一個字節(jié)總為地址字節(jié)，該字節(jié)的MSB(A7)決定隨后的字節(jié)為寫還是為讀操作。如果A7為0，地址字節(jié)后為一個或多個字節(jié)讀操作；如果A7為1，地址字節(jié)后為一個或多個字節(jié)寫操作。對于單字節(jié)傳輸，讀或寫1個字節(jié)，然后CS驅動為高電平(見圖6和圖7)；對于多字節(jié)傳輸，寫入地址后，可以讀或寫多個字節(jié)(見圖8)。只要CS保持為低電平，地址則連續(xù)在全部存儲器內遞增。如果繼續(xù)移入或移出數據，地址則從7Fh/FFh返回至00h/80h。存儲器地址無效時，報告FFh值。如果對只讀寄存器執(zhí)行寫操作，不改變該寄存器的值。

四、主要寄存器說明

MAX31865通信利用八個8位寄存器實現，其中包括：轉換、狀態(tài)和配置數據，所有設置均通過選擇相應寄存器單元的地址完成，表1所示為寄存器地址。存取寄存器時，地址0Xh為讀操作，地址8Xh為寫操作。讀寫數據時，寄存器MSB在前。

配置寄存器 (00h)：配置寄存器選擇轉換模式(自動模式或單次轉換命令觸發(fā)模式)、使能和禁止BIAS引腳輸出VBIAS、發(fā)送單次轉換命令、選擇RTD連接方式(3線或2/4線)、啟動一次故障檢測、清空故障狀態(tài)寄存器，以及選擇濾波器陷波頻率。

BIAS (D7)：不進行溫度轉換時，可禁止VBIAS，以降低功耗。發(fā)送單次轉換(1-Shot)指令之前，可通過向該位寫1使能VBIAS。選擇自動(連續(xù))轉換模式時，VBIAS保持有效狀態(tài)。

轉換模式(D6)：向該位寫1時，選擇自動轉換模式，以50/60 Hz速率連續(xù)轉換；向該位寫0時，退出自動轉換模式，進入“常閉”模式，該模式下可發(fā)送單次轉換命令。

1-Shot (D5)：轉換模式為“常閉”時，向該位寫1啟動一次電阻測試轉換。向該位寫1后，CS變?yōu)楦唠娖綍r觸發(fā)轉換。注意，如果執(zhí)行多字節(jié)寫操作，在命令結束后CS拉至高電平時觸發(fā)轉換。如果VBIAS有效(由配置寄存器選擇)，在CS變?yōu)楦唠娖綍r采樣RTD電壓，并開始轉換。注意，如果VBIAS關閉(以降低兩次轉換之間的電源電流)，RTDIN輸入的濾波電容需要充電，然后才能進行高精度轉換。所以，應在啟動轉換之前開啟VBIAS，并等待至少10.5倍的輸入RC網絡時間常數加上1ms。注意，單次轉換完成時間在60Hz濾波模式下需要約52ms，在50Hz濾波模式下需要62.5ms。1-Shot為自動清零位。

RTD電阻寄存器(01h?02h)：RTD MSB和RTD LSB兩個8位寄存器包含RTD電阻數據，數據格式如表4所示。數據格式為RTD電阻與參考電阻的比值，包含15位有效數據。RTD LSB寄存器的D0為故障位，表示是否檢測到任意RTD故障。

故障門限寄存器(03h?006h)：故障上限和故障下限寄存器用于選擇RTD故障檢測的觸發(fā)門限。將RTD轉換結果與這些寄存器值進行比較，在故障狀態(tài)寄存器中置位“Fault” (D[7:6])。RTD數據寄存器、故障上限寄存器和故障下限寄存器的數據格式均相同。如果RTD電阻寄存器值大于或等于故障上限寄存器值，置位故障狀態(tài)寄存器的RTD High。故障上限寄存器的POR狀態(tài)為FFFFh。如果RTD電阻值小于或等于故障下限寄存器值，則置位故障狀態(tài)寄存器的RTD Low。故障下限寄存器的POR狀態(tài)為0000h。

故障狀態(tài)寄存器(07h)：故障狀態(tài)寄存器鎖存所有檢測到的故障位；向配置寄存器中的故障狀態(tài)清除位寫1時，將全部故障狀態(tài)位清零。

五、MAX31865的溫度轉換

電阻溫度檢測器(RTD)是一種阻值隨溫度變化的電阻。鉑是最常見、精度最高的測溫金屬絲材料。鉑RTD稱為PT-RTD，鎳、銅和其它金屬亦可用來制造RTD。RTD具有較寬的測溫范圍，最高達+800°C，具有較高精度和較好的可重復性，線性度適中。對于PT-RTD，最常見的電阻是：0°C下標稱值為100Ω和1kΩ，當然也有其它阻值。0°C和+100°C之間的平均斜率稱為阿爾法(α)，斜率與鉑的雜質及密度有關。最常見的兩個α值是：0.00385和0.00392，分別對應于IEC 751 (PT100)和SAMA標準。
阻值與溫度的關系曲線接近線性，但有一定彎曲，可由Callendar-Van Dusen方程表示：
R(T) = R0(1 + aT + bT2 + c(T - 100)T3)
式中：
T = 溫度(°C)
R(T) = T溫下的阻值
R0 = T為0°C時的阻值
IEC 751規(guī)定α = 0.00385055及下列Callendar-Van Dusen系數：
a = 3.90830 x 10-3
b = -5.77500 x 10-7
當-200°C ≤ T ≤ 0°C時，c = -4.18301 x 10-12；當0°C ≤T ≤ +850°C時，c = 0。

圖3所示為PT100 RTD的電阻隨溫度的變化曲線，根據0°C至+100°C之間的斜率進行直線逼近。

為測量RTD阻值，接入參考電阻(RREF)，該電阻與RTD串聯，偏置電壓作用在RREF上端，如典型應用電路 所示。參考電阻的電流同樣流過RTD。參考電阻兩端的電壓為ADC基準電壓。RTD電壓連接至ADC差分輸入(RTDIN+和RTDIN-)。所以ADC產生的數字輸出等于RTD電阻與參考電阻的比值。對于鉑電阻RTD，選擇阻值等于RTD 0°C阻值的4倍的參考電阻最為合適。因此，針對PT100選用400Ω參考電阻；針對PT1000則選用4kΩ參考電阻。
如果RTD位于MAX31865附近，采用2線連接(見典型應用電路)即可獲得較好的測試結果。注意，對于PT100，0.4Ω串聯電阻引起的誤差大約為1°C；因此，電纜長度增加時，電纜電阻會引起過大的誤差。
4線連接通過使用獨立的加載、檢測(感應)引腳，消除了電纜電阻引起的誤差。3線連接是一種折中方案，比4線方案少一條引線。為補償導線上的壓降，從(RTDIN+ - RTDIN-)中減去FORCE+和RTDIN+之間的電壓，利用FORCE2對輸入采樣實現。如果電纜電阻具有很好的一致性，即可消除電纜電阻引入的誤差。將配置寄存器的3線位置1，選擇3線工作模式。

線性化溫度數據
對于-100°C至+100°C溫度范圍，簡單利用RTD數據可以很好地實現溫度逼近，如下所示：
溫度(°C) ≈ (ADC編碼/32) – 256
從該式可以得出：0°C時，誤差為0°C；-100°C時，誤差為-1.75°C；+100°C時，誤差為-1.4°C (假 設采用IEC751RTD，RREF等于0°C RTD電阻的四倍)。為了獲得高精度，利用Callendar-Van Dusen方程(見溫度轉換部分)或查找表修正RTD的非線性誤差。

使用熱敏電阻
器件也可配合其它熱敏電阻使用，例如NTC或PTC熱敏電阻。選擇RREF大于或等于傳感器在整個測溫范圍內的最大電阻。輸出數據為傳感器電阻與參考電阻之比。

模/數轉換器 (ADC)
ADC提供全差分模擬輸入(RTDIN+和RTDIN-)和全差分基準輸入(REFIN+和REFIN-)，輸出碼代表模擬輸入電壓與基準電壓之比。如果輸入電壓為負值，則輸出碼為0；如果輸入電壓大于基準電壓，則產生滿量程輸出。

將RTD數據寄存器值轉換為溫度
經過簡單計算，可將RTD數據寄存器中保存的比例ADC轉換結果轉換為溫度值。首先，需要利用下式確定RTD的阻值：
RRTD = (ADC Code x RREF)/2^15
ADC編碼 = RTD數據寄存器(01h – 02h)中的15位ADC轉換結果
RREF = 基準電阻的阻值
如果RTD的阻值已知、電阻特性定義良好，則可通過計算或查找表確定溫度值。
使用PT100 RTD、400Ω高精度低漂移基準電阻的典型情況下，表9中列出了溫度和電阻值及對應ADC編碼結果的示例。

六、STM32F103C8T6驅動MAX31865

準備工作

STM32F103C8T6最小系統板，MAX31865鉑電阻溫度模塊，OLED顯示屏

引腳接線

代碼示例

max31865.c

#include "max31865.h"

void RCC_Configuration(void) 
{    
  ErrorStatus HSEStartUpStatus;
  RCC_DeInit(); 
  RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON); 
  HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp(); 
  if(HSEStartUpStatus == SUCCESS) 
  { 
    FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable); 
    FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2); 
    RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);  
    RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);  
    RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2); 
    RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9); 
    RCC_PLLCmd(ENABLE); 
    while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET) { } 
    RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK); 
    while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08) { } 
  } 
  RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA2, ENABLE); 
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); 
  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE); 
  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM6, ENABLE); 
} 

void GPIO_Configuration(void) 
{ 
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4; 
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; 
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); 

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1; 
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; 
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); 
} 


void NVIC_Configuration(void) 
{ 
#ifdef  VECT_TAB_RAM   
  NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_RAM, 0x0);  
#else
  NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x0);    
#endif 
} 

void Delay(vu32 nCount) 
{ 
  for(; nCount != 0; nCount--); 
} 

#ifdef  DEBUG 
void assert_failed(u8* file, u32 line) 
{  
  while (1) { } 
} 
#endif 

uint8_t MAX31865_SB_Read(uint8_t addr)//SPI Single-Byte Read
{
  uint8_t read = 0;
  NCS_L;Delay(0x1f);
  for(uint8_t i = 0; i < 8; i++)
  {
    SCLK_H;
    if (addr & 0x80){SDI_H;}
    else {SDI_L;}
    Delay(0x1f);
    SCLK_L;
    addr < <= 1;
    Delay(0x1f);
  }
  
  Delay(0x1f);
  for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
  {
    SCLK_H;
    read = read< 1;
    Delay(0x1f);
    if(SDO)
    {
      read++;
    }
    SCLK_L;
    Delay(0x1f);
  }
  NCS_H;
  return read;
}

void MAX31865_SB_Write(uint8_t addr,uint8_t wdata)//SPI Single-Byte Write
{
  NCS_L;Delay(0x1f);
  for(uint8_t i = 0; i < 8; i++)
  {
    SCLK_H;
    if (addr & 0x80){SDI_H;}
    else {SDI_L;}
    Delay(0x1f);
    SCLK_L;
    addr < <= 1;
    Delay(0x1f);
  }
  
  for(uint8_t i = 0; i < 8; i++)
  {
    SCLK_H;
    if (wdata & 0x80){SDI_H;}
    else {SDI_L;}
    Delay(0x1f);
    SCLK_L;
    wdata < <= 1;
    Delay(0x1f);
  }
  NCS_H;
}

float Get_tempture(void)//PT100
{
  float temps;
  uint16_t dtemp[2];
  uint16_t data_temp;
  dtemp[0]=MAX31865_SB_Read(0x01);
  dtemp[1]=MAX31865_SB_Read(0x02);
  data_temp=(dtemp[0]< 7)+(dtemp[1] >>1);//Get 15Bit DATA;
  temps=data_temp;
  temps=(temps*402)/32768;//Here is the rtd R value;
  temps=(temps-100)/0.385055;//A gruad
  return temps;
}

/*
float Get_tempture(void)//PT1000
{
  float temps;
  uint16_t dtemp[2];
  uint16_t data_temp;
  dtemp[0]=MAX31865_SB_Read(0x01);
  dtemp[1]=MAX31865_SB_Read(0x02);
  data_temp=(dtemp[0]< >1);//Get 15Bit DATA;
  temps=data_temp;
  temps=(temps*4020)/32768;//Here is the rtd R value;
  temps=(temps-1000)/0.385055;//A gruad
  return temps;
}
*/

main.c

#include "stm32_config.h"
#include "stdio.h"
#include "OLED.h"
#include "max31865.h"

uint8_t Fault_Status;  
float tempture;

int main(void)
{
	delay_init(72);	//初始化延時函數
	
	OLED_Init();
	delay_ms(300);
	
	OLED_ShowString(0,0,"MAX31865",16,1);
	OLED_Refresh();
	
	RCC_Configuration();    
	GPIO_Configuration(); 
	NVIC_Configuration(); 
	Delay(0xfff);
	
//	  MAX31865_SB_Write(0x80,0xC1);//二線、四線配置
	MAX31865_SB_Write(0x80,0xD1);//三線配置
	  
	//MAX31865_SB_Write(0x80,0xFF);//Set High Fault Threshold MSB
	//MAX31865_SB_Write(0x80,0xFF);//Set High Fault Threshold LSB
	//MAX31865_SB_Write(0x80,0x00);//Set Low Fault Threshold MSB 
	//MAX31865_SB_Write(0x80,0x00);//Set Low Fault Threshold LSB 
	Delay(0xfff);
	
	while(1)
	{	
		Delay(0x1ffff);
		tempture=Get_tempture();
		Fault_Status=MAX31865_SB_Read(0x07);//Get Fault_Status
		
		if(tempture < 0)
		{
			OLED_ShowString(20,24,"-",16,1);
			tempture = -tempture;
		}
		else
		{
			OLED_ShowString(20,24,"+",16,1);
		}
		
		OLED_ShowNum(32,24,tempture,3,16,1);
		OLED_ShowString(56,24,".",16,1);
		OLED_ShowNum(64,24,(u32)(tempture*1000)%1000,3,16,1);
		OLED_ShowChinese(92,24,0,16,1);
		OLED_Refresh();
		delay_ms(1000);
	}
}

效果展示

審核編輯 黃宇